专利名称：建筑结构用泡沫金属填充钢管结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钢管结构，特别是一种建筑结构用泡沫金属填充钢管结构。
背景技术：
钢管是许多钢结构的主要构件，如屋盖结构、塔架结构、高层建筑中的支撑等，特别是在航天地面发射结构、海洋钻井平台等特种结构中，都以钢管结构作为主要承力结构。钢管构件属于闭口截面，与其它开口截面相比，具有抗压和抗扭承载力高，两个方向的抗弯承载力相等的优点，若采用直接焊接管节点，还具有外形轻巧美观、节点形式简单、节约钢材、可形成封闭空间节约防腐涂料的优点，因此这些采用钢管构件的结构都获得了较快的发展和应用。
然而，目前广泛采用的钢管结构也存在着一些不足。第一，钢管属于圆柱壳结构，根据弹性理论，在均匀轴向压力作用下，无缺陷的圆柱壳具有很高的弹性屈曲临界应力σ＝1.21Et/d，然而承受均匀压力圆柱壳的失稳是一种不稳定的分叉失稳，对缺陷特别敏感，管壁缺陷会对临界应力有显著的不利影响，同时考虑到钢管局部屈曲常发生在弹塑性状态，因此《钢结构设计规范》(GB50017-2003)规定为保证钢管不发生局部屈曲，钢管外径与壁厚之比d/t不应超过100(235/fy)。此时钢管临界应力的理论值将高于钢材的屈服点8.8倍，高于钢管整体失稳时应力的倍数将更多。因此若能采取措施降低钢管对缺陷的敏感性，提高钢管的局部稳定性，则可把钢管构件的管壁做得更薄，使得截面更加开展，从而进一步节省钢材，减轻结构自重。第二，从动力学角度，钢管结构的阻尼较低，不能有效地对振动能量进行消耗，而抗震结构和航天地面发射结构等受动荷载作用的结构要求应具有较高的阻尼水平。为了提高阻尼水平，达到抗震和对振动进行抑制的目的，传统的方法是采取附加措施提高结构的整体阻尼，例如安装阻尼器和隔振器等，这不仅给结构的设计和施工都带来了一定的困难，而且因为阻尼器和隔振器等结构多采用橡胶类材料，材料的老化和性能易受环境影响等问题严重影响了结构的使用寿命和可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题克服目前钢管结构的上述缺点，提供一种建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，这种结构可以大大提高钢管的阻尼和能量吸收能力，提高构件的稳定承载力，节省钢材和减轻结构自重。
本发明的技术解决方案建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，其特点在于在钢管内全部或部分或钢管-填充金属材料-钢管的三明治式填充泡沫金属材料，填充泡沫金属材料可以通过在钢管中直接浇注或其它工艺实现。钢管可以采用圆形截面或方形截面，泡沫金属可采用泡沫铝、泡沫钢、泡沫铁、泡沫铜、泡沫镍等。
本发明与现有技术相比的优点在于在钢管中填充泡沫金属材料后，一方面可增加构件的整体刚度，提高构件的稳定承载力，从而减小杆件截面尺寸；另一方面，由于填充材料对管壁的支撑作用，可改善受均匀压力圆柱壳对缺陷特别敏感的情况，从而可把管壁做得更薄，节省钢材和减轻结构自重。更重要的是，在钢管中填充泡沫金属材料后可以大大增加结构的阻尼(根据实验，可以提高结构阻尼5倍以上)和能量吸收能力。当填充的泡沫金属随同外壁结构一起振动时，可消耗振动能量，从而提高结构的阻尼。由于泡沫金属材料填充钢管结构是采用增加构件自身阻尼的方法来增加结构阻尼，因而是一种比较理想的增加结构阻尼的方法，它不但便于设计和施工，而且还可改善结构外观。而金属材料在抗老化和抗环境影响方面的优势也是该种方法优于传统阻尼器法的重要方面。因此，这种结构将在地震区的工业与民用建筑中(如大跨屋盖结构、塔架结构、高层建筑中的支撑)以及受冲击荷载的结构中(如航天地面发射塔架等一些特殊结构)有很好的应用前景。
图1a为本发明的圆钢管全部填充结构示意图；图1b为本发明的圆钢管部分填充结构示意图；图1c为本发明的圆钢管三明治填充结构示意图；图1d为本发明的方钢管全部填充结构示意图；图1e为本发明的方钢管部分填充结构示意图；图1f为本发明的方钢管三明治填充结构示意图；图2为图1a的侧视图；图3a为图1a的剖视图；图3b为图1b的剖视图；图3c为图1c的剖视图；图4为本发明实施的大跨结构示意图；图5为本发明实施的塔架结构示意图。
具体实施例方式
如图1、2、3所示，本发明由外层的钢管1和内部填充的泡沫金属材料2组成，填充方法可采用溶体发泡法，即将发泡剂加入金属液中，灌入钢管1内，发泡剂受热分解，在金属中形成气泡，冷却后即可获得泡沫金属填充钢管构件。为使气泡分布均匀，可采取以下措施①进行高速搅拌，使发泡剂迅速地均布于金属液中；②增大金属液的粘度，可阻止气泡逸出。也可采用粉体发泡法，即首先混合一定比例的金属粉末和发泡剂粉末，压实得到密实的预制品，将其放入钢管内，然后在基体金属的熔点附近进行热处理，使发泡剂分解，释放出的气体迫使压实的预制品膨胀为泡沫金属，即可获得泡沫金属填充钢管构件。钢管的直径和厚度可根据杆件的受力和长度确定，计算方法类似于钢管结构。
如图1、2、3所示，本发明的钢管1可以采用圆形截面或方形截面。泡沫金属可全部填充或部分填充或钢管-填充泡沫金属材料-钢管的三明治式填充方式，泡沫金属材料2可采用泡沫铝、泡沫钢、泡沫铁、泡沫铜、泡沫镍等。部分填充时，泡沫金属的厚度可取钢管厚度的2～5倍。
图4和图5分别将泡沫金属填充钢管构件用于大跨度网架结构和高耸塔架结构，与原钢管结构相比可提高结构阻尼5～8倍，提高承载力20～30％，减轻结构重量10％～15％。
权利要求
1.建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，其特征在于在钢管内全部或部分或钢管-填充金属材料-钢管的三明治式填充泡沫金属材料。
2.根据权利要求1所述的建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，其特征在于所述的钢管为圆形截面或方形截面。
3.根据权利要求1所述的建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，其特征在于所述的泡沫金属材料为泡沫铝、或泡沫钢、或泡沫铁、或泡沫铜、或泡沫镍。
全文摘要
建筑结构用泡沫金属填充钢管结构，其特点在于在钢管内全部或部分或三明治式填充泡沫金属材料，填充泡沫金属材料可以通过在钢管中直接浇注或其它工艺实现。钢管可以采用圆形截面或方形截面，泡沫金属可采用泡沫铝、泡沫钢、泡沫铁、泡沫铜、泡沫镍等。本发明可以大大提高钢管的阻尼和能量吸收能力，提高构件的稳定承载力，节省钢材和减轻结构自重。
文档编号E04C3/32GK1769618SQ200510086698
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者屠永清 申请人:北京航空航天大学